CN102518473B - 一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，特征是包括机械耦合机构、涡旋式复合机、发电机、储气罐及管路；机械耦合机构包括行星轮系、皮带传动装置、能量分解及制动装置和能量合成装置。外部捕获的机械能通过行星架输入行星轮系，齿圈和太阳轮轴作为输出端，其中齿圈通过皮带传动装置与发电机连接，太阳轮轴通过能量分解及制动装置与复合机连接；储气罐用于存储压缩空气。该压缩空气储能系统可实现压缩储能和膨胀助力两种工作模式；通过储能系统可达到平抑不稳定机械能的波动性，稳定发电输出的目的。本发明具有储能效率高、能量密度高、储能周期无限制、对环境友好等优点，适用于各种可再生能源发电系统，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于能量储存技术领域，涉及一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，可用于风能、潮汐能等间歇式可再生能源发电系统。

背景技术

随着化石能源濒临枯竭、碳排放严重影响气候等问题日益突出，开发清洁的可再生能源已成为当今世界能源利用的发展趋势。但是，风能、潮汐能等可再生能源均是间歇式能源，在不同的时间、空间内其能量大小随机变化，能源供给的波动性造成能源的利用率很低，发电时供电质量不高。如何抑制能源的波动性并实现稳定输出成为利用可再生能源发电的核心问题。研究表明，能量存储是抑制能源波动性的有效方法，将储能技术引入可再生能源发电系统中，可以对波动性的能量实现“削峰填谷”，即在能量处于峰值时将多余能量储存起来，在能量处于低谷时，将储存的能量释放，辅助发电系统获得稳定输出，从而改善电力系统的可靠性，同时有效提高能源的利用率。因此，开发高效的能量储存技术并将其应用于可再生能源发电系统，对提高可再生能源的利用率，确保发电系统平稳、正常运行具有十分重要的意义。

目前，国内外已开发的储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能等，但受储能周期、运行费用、使用寿命等因素限制，迄今为止在大规模商业系统中运行的仅有抽水蓄能和压缩空气储能两种。其中，压缩空气储能因空气成本低、能量转换效率较高(50～60％)、储能周期长、容量大等优点，成为一种经济可行的储能技术，是当前电力储能技术领域的研究热点。但是，传统的压缩空气储能系统是基于燃气轮机的一种储能系统，在能量峰值或用电低谷时将空气压缩储存在储气装置中实现储能，在能量低谷或用电高峰时，高压空气进入燃气轮机的燃烧室，与燃料混合燃烧并膨胀做功，驱动透平机发电。这种储能仍依赖燃烧化石燃料，废气排放对环境有污染，不符合绿色、环保的能源发展要求。

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，可以利用空气膨胀机取代燃气轮机，利用高压气体直接膨胀做功，从而避免使用化石燃料。从系统体积、重量、占地面积等角度考虑，压缩空气储能系统中的空气压缩机和空气膨胀机结构应尽量紧凑。涡旋式压缩机是一种新型高效的容积式压缩机，具有能量转换效率高、结构紧凑、体积小、重量轻和低噪音等优点。从目前报道来看，将涡旋式压缩-膨胀复合机用于压缩空气储能系统在国内外尚未出现。

发明内容

本发明的任务在于提供一种基于涡旋式复合机的新型压缩空气储能系统，适用于与风能、潮汐能等可再生能源发电系统配套使用，可以实现压缩储能和膨胀助力两种功能。当可再生能源通过适当的能量捕获装置被转换成不稳定的机械能后，如果能量处于峰值或用电负荷较低，利用储能系统中的机械耦合机构对捕获的机械能进行能量分解，一部分用于驱动发电机，多余的机械能则由涡旋式复合机进行空气压缩，实现储能；如果能量处于低谷或用电负荷较高，储存的高压气体通过涡旋式复合机进行膨胀释能，能量通过机械耦合机构传递至发电机，为发电机提供辅助驱动力，实现膨胀助力，即利用机械耦合机构实现捕获的机械能与高压气体膨胀能的能量合成。通过储能系统可达到平抑不稳定机械能的波动性，稳定发电输出的目的。涡旋式复合机及机械耦合机构的功能协调与切换通过一定的电磁控制条件实现。

其技术解决方案是：

一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，包括机械耦合机构、涡旋式复合机、发电机、储气罐及管路；上述机械耦合机构包括行星轮系、皮带传动装置、能量分解及制动装置和能量合成装置，上述行星轮系包括行星架、行星轮、太阳轮、齿圈、行星轮轴和太阳轮轴；外部捕获的机械能通过行星架输入行星轮系，齿圈和太阳轮轴作为输出端，其中齿圈通过皮带传动装置与发电机连接，太阳轮轴通过能量分解及制动装置与涡旋式复合机连接；上述能量分解及制动装置包括电磁制动器、联轴器、超越离合器、大齿轮轴、大齿轮和小齿轮，行星轮系的太阳轮轴与电磁制动器采用键联接，与大齿轮轴通过联轴器联接，大齿轮轴与大齿轮之间设置超越离合器，小齿轮固定在涡旋式复合机转轴上，当需要进行能量分解时，从太阳轮轴输出的能量通过联轴器传递到大齿轮轴，此时电磁制动器不通电，超越离合器处于工作状态，大齿轮随太阳轮轴一起转动，通过大小齿轮啮合传动实现增速并将能量传递至涡旋式复合机，此时复合机可进行气体压缩；当电磁制动器通电时，直接实现太阳轮轴的制动；上述能量合成装置包括惰轮、同步带齿轮、同步带轮、同步带和同步带轮轴，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮啮合，惰轮与同步带齿轮啮合，同步带齿轮和同步带轮固定在同步带轮轴上，同步带轮通过同步带连接发电机。当需要进行能量合成时，高压气体通过涡旋式复合机膨胀释能，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮、惰轮与同步带齿轮分别啮合传动实现降速，再通过同步带传动将能量传递至发电机，实现与皮带传动装置传递能量的合成；上述储气罐用于存储压缩空气，以及在储能系统处于膨胀助力模式时提供高压气体，储气罐通过管路连接设置在涡旋式复合机的静涡盘上的进出气口。

上述皮带传动装置包括皮带轮及平带，用于将行星轮系齿圈输出的能量传递至发电机；皮带传动装置的主动带轮与行星轮系的齿圈固定连接，从动带轮与发电机轴固定连接。

上述涡旋式复合机将气体压缩机与气体膨胀机的功能合二为一，利用同一组动、静涡盘之间的配合实现两种功能模式，即压缩储能和膨胀助力，两种功能模式之间的切换通过可控阀实现。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明使用于可再生能源发电系统中，可再生能源通过适当的能量捕获装置被转换为不稳定机械能后具有较大的波动性，导致发电输出不稳定，能量利用率低。通过本压缩空气储能系统可实现能量分解和能量合成，有效提高可再生能源的能量转换效率和利用率，平抑不稳定机械能的波动性并稳定发电输出。本发明的优点在于，利用涡旋式复合机实现气体压缩和膨胀两种功能，避免使用燃气轮机或其他型式的气体膨胀机，简化了系统总体结构；涡旋机械具有容积效率高的独特优点，可显著提高系统总体效率；利用行星轮系实现能量分解，利用能量合成装置中同步带和皮带的传动耦合实现能量合成，上述方案传动平稳且结构紧凑，避免使用复杂的传动机构，可有效抑制能量波动性对发电系统的影响，提高系统的能量转换效率。综上所述，本发明具有储能效率高、能量密度高、储能周期无限制、对环境友好等优点，适用于各种可再生能源发电系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种实施方式的结构原理示意框图，主要示出了本发明处于压缩储能工况时的一种情形。

图2主要示出了图1方式中的机械组成部分。

图3为本发明一种实施方式的结构原理示意框图，主要示出了本发明处于膨胀助力工况时的一种情形。

图4主要示出了图3方式中的机械组成部分。

图中，1.行星轮系，2.皮带传动装置，3.发电机，4.能量分解及制动装置，5.涡旋式复合机，6.储气罐，7.管路，8.能量合成装置，9.小齿轮，10.联轴器，11.法兰传感器，12.电磁制动器，13.齿圈，14.行星轮，15.轴承，16.行星轮轴，17.端盖，18.0型密封圈，19.行星架，20.太阳轮轴，21.太阳轮，22.平带，23.皮带轮，24.大齿轮，25超越离合器，26.大齿轮轴，27.惰轮，28.同步带轮轴，29.轴承，30.同步带齿轮，31.同步带，32.同步带轮。

具体实施方式

结合图1至图4，一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，包括机械耦合机构、涡旋式复合机5、发电机3、储气罐6及管路7。上述机械耦合机构包括行星轮系1、皮带传动装置2、能量分解及制动装置4和能量合成装置8。上述行星轮系包括行星架19、行星轮14、太阳轮21、齿圈13、行星轮轴16、太阳轮轴20、轴承15、轴套及前后盖板。外部捕获的机械能通过行星架输入行星轮系，齿圈和太阳轮轴作为输出端，其中齿圈通过皮带传动装置与发电机连接，太阳轮轴通过能量分解及制动装置与涡旋式复合机连接。上述能量分解及制动装置包括电磁制动器12、联轴器10、超越离合器25、大齿轮轴26、大齿轮24、小齿轮9和轴承。上述行星轮系的太阳轮轴与电磁制动器采用键联接，与大齿轮轴通过联轴器联接，大齿轮轴与大齿轮之间设置超越离合器，小齿轮固定在涡旋式复合机转轴上。当需要进行能量分解时，从太阳轮轴输出的能量通过联轴器传递到大齿轮轴，此时电磁制动器不通电，超越离合器处于工作状态，大齿轮随太阳轮轴一起转动，通过大小齿轮啮合传动实现增速并将能量传递至涡旋式复合机，此时复合机可进行气体压缩；当电磁制动器通电时，直接实现太阳轮轴的制动。上述能量合成装置包括惰轮27、同步带齿轮30、同步带轮32、同步带31、同步带轮轴28、轴承29及轴套，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮啮合，惰轮与同步带齿轮啮合，同步带齿轮和同步带轮固定在同步带轮轴上，同步带轮通过同步带连接发电机；当需要进行能量合成时，高压气体通过涡旋式复合机膨胀释能，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮、惰轮与同步带齿轮分别啮合传动实现降速，再通过同步带传动将能量传递至发电机，实现与皮带传动装置传递能量的合成。上述储气罐用于存储压缩空气，以及在储能系统处于膨胀助力模式时提供高压气体，储气罐通过管路连接设置在涡旋式复合机的静涡盘上的进出气口。上述皮带传动装置包括皮带轮23及平带22，用于将行星轮系齿圈输出的能量传递至发电机；皮带传动装置的主动带轮与行星轮系的齿圈固定连接，从动带轮与发电机轴固定连接。上述涡旋式复合机可采用现有技术中的涡旋式压缩-膨胀复合机，其将气体压缩机与气体膨胀机的功能合二为一，利用同一组动、静涡盘之间的配合实现两种功能模式，即压缩储能和膨胀助力，两种功能模式之间的切换通过可控阀实现。

重点参看图1，本发明处于压缩储能工况时的具体流程为：外部捕获的机械能输入行星轮系1，输出的能量一部分通过皮带传动装置2用于驱动发电机3，多余的能量通过能量分解及制动装置4用于驱动涡旋式复合机5，经压缩后的高压气体经由管路7储存在储气罐8中。该工况下系统的机械结构参见图2，行星架19为能量输入端，齿圈13和太阳轮21为输出端。由齿圈输出的能量通过与之固定在一起的平带22和皮带轮23传递至发电机3；太阳轮轴20及太阳轮21将多余能量传递至能量分解及制动装置。电磁制动器12不通电，太阳轮轴20通过联轴器10带动大齿轮轴26，此时超越离合器25处于工作状态，即大齿轮24随大齿轮轴26同向转动，大齿轮24与小齿轮9啮合实现增速，进而带动涡旋式复合机5转动，进行气体压缩。被压缩后的空气经由管路输送至储气罐。当不需要储能时，电磁制动器12通电工作，太阳轮轴20被制动，能量仅从齿圈13输出并驱动发电机3工作，不再传递至能量分解及制动装置。此时系统处于传统的发电工况模式。

重点参看图3，本发明处于膨胀助力工况时的具体流程为：外部捕获的机械能输入行星轮系1，此时太阳轮轴被制动。输出的能量通过皮带传动装置2用于驱动发电机3，但需要提供辅助驱动力。储气罐6中的高压气体经管路7输送至涡旋式复合机5，并在涡旋式复合机内膨胀释能，经能量合成装置8与皮带传动装置2进行能量合成，共同驱动发电机3。该工况下系统的结构参见图4，外部捕获的机械能从行星架19输入，经行星轮系1后能量通过皮带传动装置2输出至发电机3，此时需要储能系统为发电机3提供辅助驱动力。来自储气罐的高压气体经涡旋式复合机5膨胀做功，能量经复合机小齿轮、惰轮27、同步带齿轮30的啮合传递至同步带轮轴28，进而驱动同步带轮32，通过同步带31将能量传递至发电机3的轴端，实现与皮带传动装置2所传递能量的合成，共同为发电机3提供驱动力。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所作出的任何等同方式，或明显变型方式均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，其特征在于包括机械耦合机构、涡旋式复合机、发电机、储气罐及管路；所述机械耦合机构包括行星轮系、皮带传动装置、能量分解及制动装置和能量合成装置，上述行星轮系包括行星架、行星轮、太阳轮、齿圈、行星轮轴和太阳轮轴；外部捕获的机械能通过行星架输入行星轮系，齿圈和太阳轮轴作为输出端，其中齿圈通过皮带传动装置与发电机连接，太阳轮轴通过能量分解及制动装置与涡旋式复合机连接；上述能量分解及制动装置包括电磁制动器、联轴器、超越离合器、大齿轮轴、大齿轮和小齿轮，行星轮系的太阳轮轴与电磁制动器采用键联接，与大齿轮轴通过联轴器联接，大齿轮轴与大齿轮之间设置超越离合器，小齿轮固定在涡旋式复合机转轴上；当需要进行能量分解时，从太阳轮轴输出的能量通过联轴器传递到大齿轮轴，此时电磁制动器不通电，超越离合器处于工作状态，大齿轮随太阳轮轴一起转动，通过大小齿轮啮合传动实现增速并将能量传递至涡旋式复合机，此时复合机可进行气体压缩；当电磁制动器通电时，直接实现太阳轮轴的制动；上述能量合成装置包括惰轮、同步带齿轮、同步带轮、同步带和同步带轮轴，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮啮合，惰轮与同步带齿轮啮合，同步带齿轮和同步带轮固定在同步带轮轴上，同步带轮通过同步带连接发电机；当需要进行能量合成时，高压气体通过涡旋式复合机膨胀释能，涡旋式复合机的轴端小齿轮与惰轮、惰轮与同步带齿轮分别啮合传动实现降速，再通过同步带传动将能量传递至发电机，实现与皮带传动装置传递能量的合成；上述储气罐用于存储压缩空气，以及在储能系统处于膨胀助力模式时提供高压气体，储气罐通过管路连接设置在涡旋式复合机的静涡盘上的进出气口。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，其特征在于：所述皮带传动装置包括皮带轮及平带，用于将行星轮系齿圈输出的能量传递至发电机；皮带传动装置的主动带轮与行星轮系的齿圈固定连接，从动带轮与发电机轴固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于涡旋式复合机的压缩空气储能系统，其特征在于：所述涡旋式复合机将气体压缩机与气体膨胀机的功能合二为一，利用同一组动、静涡盘之间的配合实现两种功能模式，即压缩储能和膨胀助力，两种功能模式之间的切换通过可控阀实现。

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